揭秘 Twitter 背后的基础设施：效率与优化篇
过去我们曾经发布过一些关于 Finagle 、Manhattan 这些项目的文章，还写过一些针对大型事件活动的架构优化的文章，例如天空之城、超级碗、2014 世界杯、全球新年夜庆祝活动等。在这篇基础设施系列文章中，我主要聚焦于 Twitter 的一些关键设施和组件。我也会写一些我们在系统的扩展性、可靠性、效率方面的做过的改进，例如我们基础设施的历史，遇到过的挑战，学到的教训，做过的升级，以及我们现在前进的方向等等。
天空之城：2013 年 8 月 2 日，宫崎骏的《 天空之城 》在 NTV 迎来其第 14 次电视重播，剧情发展到高潮之时，Twitter 的 TPS（Tweets Per Second）也被推上了新的高度——143,199 TPS，是平均值的 25 倍，这个记录保持至今。– LCTT 译注
数据中心的效率优化
历史
当前 Twitter 硬件和数据中心的规模已经超过大多数公司。但达到这样的规模不是一蹴而就的，系统是随着软硬件的升级优化一步步成熟起来的，过程中我们也曾经犯过很多错误。
有个一时期我们的系统故障不断。软件问题、硬件问题，甚至底层设备问题不断爆发，常常导致系统运营中断。出现故障的地方存在于各个方面，必须综合考虑才能确定其风险和受到影响的服务。随着 Twitter 在客户、服务、媒体上的影响力不断扩大，构建一个高效、可靠的系统来提供服务成为我们的战略诉求。
Twitter系统故障的界面被称为 失败鲸 ，如下图 – LCTT 译注
挑战
一开始，我们的软件是直接安装在服务器，这意味着软件可靠性依赖硬件，电源、网络以及其他的环境因素都是威胁。这种情况下，如果要增加容错能力，就需要统筹考虑这些互不关联的物理设备因素及在上面运行的服务。
最早采购数据中心方案的时候，我们都还是菜鸟，对于站点选择、运营和设计都非常不专业。我们先直接托管主机，业务增长后我们改用租赁机房。早期遇到的问题主要是因为设备故障、数据中心设计问题、维护问题以及人为操作失误。我们也在持续迭代我们的硬件设计，从而增强硬件和数据中心的容错性。
服务中断的原因有很多，其中硬件故障常发生在服务器、机架交换机、核心交换机这地方。举一个我们曾经犯过的错误，硬件团队最初在设计服务器的时候，认为双路电源对减少供电问题的意义不大 – 他们真的就移除了一块电源。然而数据中心一般给机架提供两路供电来提高冗余性，防止电网故障传导到服务器，而这需要两块电源。最终我们不得不在机架上增加了一个 ATS 单元（ 交流切换开关 ）来接入第二路供电。
提高系统的可靠性靠的就是这样的改进，给网络、供电甚至机房增加冗余，从而将影响控制到最小范围。
我们学到的教训以及技术的升级、迁移和选型
我们学到的第一个教训就是要先建模，将可能出故障的地方（例如建筑的供电和冷却系统、硬件、光纤网络等）和运行在上面的服务之间的依赖关系弄清楚，这样才能更好地分析，从而优化设计提升容错能力。
我们增加了更多的数据中心提升地理容灾能力，减少自然灾害的影响。而且这种站点隔离也降低了软件的风险，减少了例如软件部署升级和系统故障的风险。这种多活的数据中心架构提供了 代码灰度发布 的能力，减少代码首次上线时候的影响。
我们设计新硬件使之能够在更高温度下正常运行，数据中心的能源效率因此有所提升。
下一步工作
随着公司的战略发展和运营增长，我们在不影响我们的最终用户的前提下，持续不断改进我们的数据中心。下一步工作主要是在当前能耗和硬件的基础上，通过维护和优化来提升效率。
硬件的效率优化
历史和挑战
我们的硬件工程师团队刚成立的时候只能测试市面上现有硬件，而现在我们能自己定制硬件以节省成本并提升效率。
Twitter 是一个很大的公司，它对硬件的要求对任何团队来说都是一个不小的挑战。为了满足整个公司的需求，我们的首要工作是能检测并保证购买的硬件的品质。团队重点关注的是性能和可靠性这两部分。对于硬件我们会做系统性的测试来保证其性能可预测，保证尽量不引入新的问题。
随着我们一些关键组件的负荷越来越大（如 Mesos、Hadoop、Manhattan、MySQL 等），市面上的产品已经无法满足我们的需求。同时供应商提供的一些高级服务器功能，例如 Raid 管理或者电源热切换等，可靠性提升很小，反而会拖累系统性能而且价格高昂，例如一些 Raid 控制器价格高达系统总报价的三分之一，还拖累了 SSD 的性能。
那时，我们也是 MySQL 数据库的一个大型用户。SAS（ 串行连接 SCSI ）设备的供应和性能都有很大的问题。我们大量使用 1U 规格的服务器，它的磁盘和回写缓存一起也只能支撑每秒 2000 次的顺序 IO。为了获得更好的效果，我们只得不断增加 CPU 核心数并加强磁盘能力。我们那时候找不到更节省成本的方案。
后来随着我们对硬件需求越来越大，我们成立了一个硬件团队，从而自己来设计更便宜更高效的硬件。
关键技术变更与选择
我们不断的优化硬件相关的技术，下面是我们采用的新技术和自研平台的时间轴。
- 2012 - 采用 SSD 作为我们 MySQL 和 Key-Value 数据库的主要存储。
- 2013 - 我们开发了第一个定制版 Hadoop 工作站，它现在是我们主要的大容量存储方案。
- 2013 - 我们定制的解决方案应用在 Mesos、TFE（ Twitter Front-End ）以及缓存设备上。
- 2014 - 我们定制的 SSD Key-Value 服务器完成开发。
- 2015 - 我们定制的数据库解决方案完成开发。
- 2016 - 我们开发了一个 GPU 系统来做模糊推理和训练机器学习。
学到的教训
硬件团队的工作本质是通过做取舍来优化 TCO（总体拥有成本），最终达到达到降低 CAPEX（资本支出）和 OPEX（运营支出）的目的。概括来说，服务器降成本就是：
- 删除无用的功能和组件
- 提升利用率
Twitter 的设备总体来说有这四大类：存储设备、计算设备、数据库和 GPU 。 Twitter 对每一类都定义了详细的需求，让硬件工程师更针对性地设计产品，从而优化掉那些用不到或者极少用的冗余部分。例如，我们的存储设备就专门为 Hadoop 优化过，设备的购买和运营成本相比于 OEM 产品降低了 20% 。同时，这样做减法还提高了设备的性能和可靠性。同样的，对于计算设备，硬件工程师们也通过移除无用的特性获得了效率提升。
一个服务器可以移除的组件总是有限的，我们很快就把能移除的都扔掉了。于是我们想出了其他办法，例如在存储设备里，我们认为降低成本最好的办法是用一个节点替换多个节点，并通过 Aurora/Mesos 来管理任务负载。这就是我们现在正在做的东西。
对于这个我们自己新设计的服务器，首先要通过一系列的标准测试，然后会再做一系列负载测试，我们的目标是一台新设备至少能替换两台旧设备。最大的性能提升来自增加 CPU 的线程数，我们的测试结果表示新 CPU 的 单线程能力提高了 20~50% 。同时由于整个服务器的线程数增加，我们看到单线程能效提升了 25%。
这个新设备首次部署的时候，监控发现新设备只能替换 1.5 台旧设备，这比我们的目标低了很多。对性能数据检查后发现，我们之前对负载特性的一些假定是有问题的，而这正是我们在做性能测试需要发现的问题。
对此我们硬件团队开发了一个模型，用来预测在不同的硬件配置下当前 Aurora 任务的填充效率。这个模型正确的预测了新旧硬件的性能比例。模型还指出了我们一开始没有考虑到的存储需求，并因此建议我们增加 CPU 核心数。另外，它还预测，如果我们修改内存的配置，那系统的性能还会有较大提高。
硬件配置的改变都需要花时间去操作，所以我们的硬件工程师们就首先找出几个关键痛点。例如我们和 SRE（ 网站可靠性工程师 ）团队一起调整任务顺序来降低存储需求，这种修改很简单也很有效，新设备可以代替 1.85 个旧设备了。
为了更好的优化效率，我们对新硬件的配置做了修改，只是扩大了内存和磁盘容量就将 CPU 利用率提高了20% ，而这只增加了非常小的成本。同时我们的硬件工程师也和合作生产厂商一起为那些服务器的最初出货调整了物料清单。后续的观察发现我们的自己的新设备实际上可以代替 2.4 台旧设备，这个超出了预定的目标。
从裸设备迁移到 mesos 集群
直到 2012 年为止，软件团队在 Twitter 开通一个新服务还需要自己操心硬件：配置硬件的规格需求，研究机架尺寸，开发部署脚本以及处理硬件故障。同时，系统中没有所谓的“服务发现”机制，当一个服务需要调用一个另一个服务时候，需要读取一个 YAML 配置文件，这个配置文件中有目标服务对应的主机 IP 和端口信息（预留的端口信息是由一个公共 wiki 页面维护的）。随着硬件的替换和更新，YAML 配置文件里的内容也会不断的编辑更新。在缓存层做修改意味着我们可以按小时或按天做很多次部署，每次添加少量主机并按阶段部署。我们经常遇到在部署过程中 cache 不一致导致的问题，因为有的主机在使用旧的配置有的主机在用新的。有时候一台主机的异常（例如在部署过程中它临时宕机了）会导致整个站点都无法正常工作。
在 2012/2013 年的时候，Twitter 开始尝试两个新事物：服务发现（来自 ZooKeeper 集群和 Finagle 核心模块中的一个库）和 Mesos（包括基于 Mesos 的一个自研的计划任务框架 Aurora ，它现在也是 Apache 基金会的一个项目）。
服务发现功能意味着不需要再维护一个静态 YAML 主机列表了。服务或者在启动后主动注册，或者自动被 mesos 接入到一个“服务集”（就是一个 ZooKeeper 中的 znode 列表，包含角色、环境和服务名信息）中。任何想要访问这个服务的组件都只需要监控这个路径就可以实时获取到一个正在工作的服务列表。
现在我们通过 Mesos/Aurora ，而不是使用脚本（我们曾经是 Capistrano 的重度用户）来获取一个主机列表、分发代码并规划重启任务。现在软件团队如果想部署一个新服务，只需要将软件包上传到一个叫 Packer 的工具上（它是一个基于 HDFS 的服务），再在 Aurora 配置上描述文件（需要多少 CPU ，多少内存，多少个实例，启动的命令行代码），然后 Aurora 就会自动完成整个部署过程。 Aurora 先找到可用的主机，从 Packer 下载代码，注册到“服务发现”，最后启动这个服务。如果整个过程中遇到失败（硬件故障、网络中断等等）， Mesos/Aurora 会自动重选一个新主机并将服务部署上去。
Twitter 的私有 PaaS 云平台
Mesos/Aurora 和服务发现这两个功能给我们带了革命性的变化。虽然在接下来几年里，我们碰到了无数 bug ，伤透了无数脑筋，学到了分布式系统里的无数教训，但是这套架还是非常赞的。以前大家一直忙于处理硬件搭配和管理，而现在，大家只需要考虑如何优化业务以及需要多少系统能力就可以了。同时，我们也从根本上解决了 Twitter 之前经历过的 CPU 利用率低的问题，以前服务直接安装在服务器上，这种方式无法充分利用服务器资源，任务协调能力也很差。现在 Mesos 允许我们把多个服务打包成一个服务包，增加一个新服务只需要修改配额，再改一行配置就可以了。
在两年时间里，多数“无状态”服务迁移到了 Mesos 平台。一些大型且重要的服务（包括我们的用户服务和广告服务系统）是最先迁移上去的。因为它们的体量巨大，所以它们从这些服务里获得的好处也最多，这也降低了它们的服务压力。
我们一直在不断追求效率提升和架构优化的最佳实践。我们会定期去测试公有云的产品，和我们自己产品的 TCO 以及性能做对比。我们也拥抱公有云的服务，事实上我们现在正在使用公有云产品。最后，这个系列的下一篇将会主要聚焦于我们基础设施的体量方面。
特别感谢 Jennifer Fraser、David Barr、Geoff Papilion、 Matt Singer、Lam Dong 对这篇文章的贡献。
via: https://blog.twitter.com/2016/the-infrastructure-behind-twitter-efficiency-and-optimization